JP4684295B2

JP4684295B2 - 混合流体の均一化装置および混合流体供給設備

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Publication number: JP4684295B2
Application number: JP2007526769A
Authority: JP
Inventors: 正明佐香; 秀明大田
Original assignee: Kawasaki Plant Systems Ltd
Current assignee: Kawasaki Plant Systems Ltd
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2011-05-18
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Description

本発明は混合流体の均一化装置および混合流体供給設備に関する。さらに詳しくは、複数の流体を混合した混合流体の混合程度を一層均一化するための均一化、および、この混合流体均一化装置を備えた混合流体供給設備に関する。

製鉄分野において、たとえば高炉法で銑鉄を生産する場合、高炉から発熱量が比較的少ない（低カロリな）炉頂ガス（ＢｌａｓｔＦｕｒｎａｃｅＧａｓであり、以下ＢＦＧと記す）が副生ガスとして発生する。このＢＦＧは製鉄所内において多方面に利用されている。低カロリな副生ガスとしては、高炉ガス（ＢＦＧ）には限らず、転炉ガス（ＬＤＧ）や石炭層ガス（Ｃｏａｌｍｉｎｅｇａｓであり、ＣＭＧと表す）などの多くの他の種類のガスやそれらの混合ガスが含まれる。一方で、近年、高炉法以外の新しい製鉄プロセス（たとえばＦＩＮＥＸやＣＯＲＥＸ等の直接還元鉄法）が開発されつつあり、こうした新プロセスから発生する副生ガスの有効利用に対しても適用できる燃焼方式の開発が待たれている。

いずれの製鉄プロセスであれ、発生する副生ガスの特性（ガス組成やカロリ）は設備や操業内容によって異なる。同一設備であっても各原料の特性や反応過程に応じて時々刻々変化し、一定することがない。副生ガスをたとえばガスタービンのような燃焼設備の燃料として使用する場合、変動するカロリ値がガスタービンの上限許容カロリ値を超えないように減熱用ガスを混合してガスタービン燃焼器内での燃焼温度の急激な上昇を回避しなければならない。逆に、下限許容カロリ値を下回らないように増熱用ガスを混合してガスタービン燃焼器内での失火を回避しなければならない。しかも、このように主ガス（たとえばＢＦＧ）に増熱用または減熱用のガス（以下、副ガスともいう）が混合されたあとの混合ガスは燃料供給配管内の断面において十分に均一でなければならない。すなわち、十分に混合する必要がある。

もし、混合ガスが配管内断面において不均一であると、不均一な部分はそのままの状態でガスタービンの燃焼器に至る可能性があるので、燃焼室内に複数機設置されている燃焼器それぞれにおいて燃焼態様が不均一となるおそれがある。

また、増熱や減熱を目的とするのではなく、性状の異なる複数種類の可燃ガスを一緒にして燃料として使用する場合（たとえばＢＦＧにＬＤＧやＣＭＧを混合する）にも、これらのガスを十分に混合する必要がある。

従来、カロリ等の特性が異なるガスを均一に混合するために、たとえば流路中でガスを旋回させる静翼を備えた混合器（たとえば特許文献１参照）が使用されている。混合器の機能は主ガスおよび主ガスに副ガスとして混合すべき異種ガスのカロリおよび流量の全ての範囲にわたって所定の混合を達成することにある。混合器は混合条件に合わせて設計されるが、その条件としては、（１）主ガスの流量、ガス比重、ガス組成、（２）混合すべきガスのガス比重、ガス組成、（３）主ガスと混合すべきガスとの混合比の幅、がある。

従来の混合器は主ガスと副ガスとの混合割合、すなわち混合比が増熱目標値、主ガスおよび副ガスのカロリ値を基準に予め決定されるため、もし、当初予定していた副ガスが他の種類の増熱用ガスに変わった場合、または、主ガスのカロリ値が変化したために主ガスと副ガスとの混合比を大きく変更せざるを得なくなった場合には、混合器の下流の燃料供給配内断面における混合の一定の偏差内に収まる均一性を確保することはきわめて困難である。

たとえば、８００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３の副生ガスを１０００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３に増熱する場合、増熱用ガスとして選択されうるコークス炉ガス（ＣＯＧと記し、カロリ値が約４０００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）、転炉ガス（ＬＤＧと記し、カロリ値は約２０００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）、天然ガス（ＮＧと記し、カロリ値が約９０００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）ではそれぞれ主ガス（上記副生ガス）との混合比が異なる。たとえば、主ガスＢＦＧを１とすればこれに対して、ＣＯＧでは０．０５、ＬＤＧでは０．１、ＮＧでは０．０２２の割合で混合することになる。したがって、増熱用ガスとしてのＣＯＧの供給量が減少したときに、ＬＤＧやＮＧを代用として用いる場合は主ガスへの混合比がＣＯＧの場合に比して大きく異なるため、ＣＯＧ専用に設計された従来の混合器では十分に均一な混合効果が得られないことになる。なお、上記のように比較的低カロリのＬＤＧを増熱用ガスとして用いるのは、主ガスがＢＦＧ等のようにさらに低カロリなガスの場合である。

主ガスと副ガスとの混合比が同じであっても、主ガスの流量の変化によって混合器内の流れのパターンが変化するため、混合する副ガスが一種類であっても、混合後に所定の均一性を主ガスの幅広い流量変化域で確保することは困難である。
特開平１０−３３７４５８号公報

本発明は上記した課題を解決するためになされたものであり、異なる流量や組成を含む種々の混合条件に適応して混合の均一性を向上させ、従来の混合器が設置されているか否かに拘わらず（混合器には関係なく）流体混合の均一性を向上させるための混合流体均一化装置、および、この混合流体均一化装置を備えた混合流体供給設備を提供することを目的としている。

本発明の混合流体の均一化装置は、流体の流路内に配設される、互いに重なり合って接する相対変位可能な複数枚の穿孔板を備えており、各穿孔板には複数個の貫通孔が形成されており、上記複数枚の穿孔板が重なり合った状態で互いの面方向に相対変位することにより、各穿孔板の貫通孔の重なり程度が変化して全貫通孔の開口率が変化するように構成されている。この混合流体の均一化装置は、上記流路内に配設された、上記貫通孔を洗浄するための洗浄装置を含んでおり、この洗浄装置が洗浄用の液体を噴出する複数個のノズルを有している。

かかる構成により、流体流れの抵抗となる穿孔板の上流側において、主流体に対してその性状を調整するための副流体が混合され、貫通孔を通過した直後においてもさらに混合され、混合が促進される。それによって混合の均一化が促進される。また、混合条件に応じ、貫通孔の開口率を変化させることによって当該混合条件に最適な開口率を選択することが可能となる。そして、洗浄装置により、作業員が流路内に立ち入る必要なく、または、立ち入る頻度を大幅に減らして穿孔板の洗浄を行うことができる。

上記流路の外部に配設された、穿孔板を移動させるための穿孔板移動装置をさらに含み、
上記複数枚の穿孔板が、流路内部に固定された固定穿孔板と、固定されずに移動可能にされた可動穿孔板とを備え、この可動穿孔板が上記穿孔板移動装置によって往復動させられるように構成することができる。

このように構成すれば、一方の穿孔板のみ移動させればよく、また、固定穿孔板が可動穿孔板の移動を案内する一助となる。

上記全貫通孔を、その開口率が最大の時の開口面積が流路の断面積と同一かまたはそれ以上となるように形成するのが好ましい。流路の抵抗をできるだけ減少させることができるからである。

上記穿孔板を流路の中心軸に対して垂直な方向から傾斜して配置することができる。この場合、穿孔板の実面積が増加し、貫通孔全体が形成する開口面積も増大するので、流路の抵抗を可及的に減少させることができる。

上記固定穿孔板に移動案内部材を取り付け、この移動案内部材を、可動穿孔板の往復動方向に垂直な方向の両側部分に係合してその移動を案内することができるように構成することができる。

一枚の可動穿孔板を二枚の固定穿孔板の間に配置し、この二枚の固定穿孔板の間に、可動穿孔板が摺動移動可能な隙間を保持するスペーサを配設し、この二枚の固定穿孔板およびスペーサが可動穿孔板の移動を案内するように構成することができる。

このように構成すれば、可動穿孔板の移動がその前後の固定穿孔板と、たとえば両側部のスペーサによって案内されるので、可動穿孔板の厚さを薄くして重量を小さくすることができ、一層迅速な操作が可能となる。

上記貫通孔を、可動穿孔板の移動方向に垂直な方向に延びる長孔状に形成することができる。このようにすれば、一枚の穿孔板上の貫通孔の面積割合を比較的大きくすることができるので、貫通孔の全開時の開口面積を大きくすることができる。

上記可動穿孔板を移動することによって全貫通孔が閉止されうるように構成することができる。

本発明の混合流体供給設備は、
流体が流れる流路と、
この流路内に配設された混合流体均一化装置とを備えており、
この混合流体均一化装置が、前述したうちのいずれか一の混合流体均一化装置であり、
上記流路における混合流体均一化装置が配設されている部分の断面積が、その上流側の断面積および下流側の断面積それぞれより大きくされている。

この混合流体供給設備によれば、穿孔板の実面積が増加し、形成される貫通孔全体の開口面積も増大するので、流路の抵抗を可及的に減少させることができる。

本発明の他の混合流体供給設備は、
流体が流れる流路と、
この流路内に配設された混合流体均一化装置とを備えており、
この混合流体均一化装置が、前述したうちのいずれか一の混合流体均一化装置であり、
上記流路における混合流体均一化装置が配設されている部分の下流側の断面積が、その上流側の断面積より大きくされている。

こうすることにより、混合流体が均一化装置を通過した直後に膨張拡散するために、混合効果がさらに向上することが期待できるからである。

本発明の他の混合流体供給設備は、
流体が流れる流路と、
この流路内に配設された混合流体均一化装置とを備えており、
この混合流体均一化装置が、前述したうちのいずれか一の混合流体均一化装置であり、
上記流路における混合流体均一化装置の下流側に配設されたガスの性状を検出するガス性状検出装置をさらに含んでおり、このガス性状検出装置が流路の断面上のガス成分の分布を検出するように構成されている。

この混合流体供給設備によれば、ガス性状検出装置によって検出された混合ガスの混合状態に応じて上記穿孔板の貫通孔の開口率を変化させることにより、混合の均一化を向上させるために適切な開口率を選択することができる。ガス性状検出装置としては、たとえばカロリ計測装置などが採用されうる。

本発明によれば、広範な混合条件においても混合の均一性を向上させ、主流体および混合すべき副流体の流量や組成が変化しても、流体混合の均一性を向上させることができる。

図１は、本発明の一実施形態である混合流体均一化装置を含んだ混合流体供給設備の概略を示す配管図である。図２は、図１の混合流体供給設備における混合流体均一化装置の一実施形態を概略的に示す縦断面図である。図３（ａ）は、図１の混合流体供給設備における混合流体均一化装置の他の実施形態を概略的に示す正面図であり、図３（ｂ）はその一部断面側面図である。図４は、図１の混合流体供給設備における混合流体均一化装置のさらに他の実施形態を示す斜視図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線断面図である。図６は、図１の混合流体供給設備における混合流体均一化装置のさらに他の実施形態を示す縦断面図である。図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）はそれぞれ、図６の混合流体均一化装置の穿孔板の一部を示す断面図である。図８は、図６の混合流体均一化装置の穿孔板を示す斜視図である。図９は図８のＩＸ−ＩＸ線断面図である。図１０は、図１の混合流体供給設備における混合流体均一化装置のさらに他の実施形態を概略的に示す縦断面図である。図１１は、図１０の混合流体均一化装置の一部切り欠き斜視図である。図１２は、図１０のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。図１３は、図１の混合流体供給設備における混合流体均一化装置のさらに他の実施形態を概略的に示す縦断面図である。図１４は、図１の混合流体供給設備における混合流体均一化装置のさらに他の実施形態を概略的に示す縦断面図である。図１５は、図１の混合流体供給設備における混合流体均一化装置のさらに他の実施形態を概略的に示す縦断面図である。図１６は、図１５の混合流体均一化装置の穿孔板の一例を示す斜視図である。図１７は、図１５の混合流体均一化装置の穿孔板の他の例を示す斜視図である。

符号の説明

１・・・・混合流体供給設備
２・・・・主ガス配管
３・・・・副ガス配管
４・・・・混合ガス配管
５・・・・混合点
６・・・・（混合流体の）均一化装置
７・・・・均一度検出装置
８・・・・固定穿孔板
９・・・・可動穿孔板
１０・・・・貫通孔
１１・・・・駆動シリンダ
１２・・・・連結棒
１３・・・・シール機構
１４・・・・案内部材
１５・・・・スペーサ
１６・・・・（混合流体の）均一化装置
１７・・・・洗浄装置
１８・・・・洗浄液供給配管
１９・・・・噴射ノズル
２０・・・・貫通孔
２１・・・・混合ガス配管
２２・・・・回転穿孔板
２３・・・・配管
２４・・・・回転穿孔板
２５・・・・回転軸
２６・・・・（混合流体の）均一化装置
２７・・・・フランジ継手
２８・・・・閉止プラグ
２９・・・・開閉弁
３０・・・・制御装置
３１・・・・油量調節装置
３２・・・・位置検出器
３３・・・・集液溝
３４・・・・ドレン孔
Ｃ・・・・燃焼装置
Ｓ・・・・ガス供給源

添付の図面を参照しながら本発明の混合流体均一化装置、それを備えた混合流体供給設備の一実施形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態である混合流体供給設備１である。かかる供給設備としては、たとえば高炉や直接還元鉄設備等のガス供給源Ｓで発生したカロリ変動のある副生ガスをガスタービンに燃料として用いる場合に、たとえば、性状の異なる複数種類の副生ガスを混合して供給する燃料ガス供給設備、または、これら燃料ガスに不活性ガスを減熱用ガスとして混合したり、ＣＯＧ等を増熱用ガスとして混合して供給する燃料ガス供給設備が例としてあげられる。上記ガス供給源Ｓは、発生ガスを燃料として供給するために必要なたとえば除塵等の処理工程をその内部に含んだものである。本発明のこの混合流体供給設備によって供給される流体はガスには限定されず、液体、粉体、スラリ等も含むが、以下に説明する実施形態ではガスを例示する。

この混合流体供給設備１は、ガス供給源Ｓで発生した主ガスを供給するための主ガス配管２と、この主ガス配管２に接続された、減熱用ガスや増熱用ガスを主ガスに添加して混合するための副ガス配管３と、これら両配管２、３の接続点（以下、混合点とも言う）５から下流側に配設された、主ガスと副ガスとの混合ガスを供給する混合ガス配管４と、混合ガス配管４内に配設された混合流体均一化装置（以下、単に均一化装置ともいう）６とを備えたものである。上記副ガス配管３は、主ガスの変動する性状（たとえばカロリ変動）を安定させるために副ガスを供給するものである。

均一化装置６によって均一に混合されたガスは、それが燃料ガスの場合はガスタービンの燃焼器等の燃焼装置Ｃに送られる。上記各配管２、３、４はそれぞれ円形断面の管に限定されず、長円経断面でも多角形断面の管でもよい。上記副ガス配管３については、二種以上の副ガスが同一の混合点５において供給・混合されるような配管でもよく、また、複数本の異なる副ガス配管を異なる位置で主ガス配管２に接続したものでもよい。

図示のごとく、混合ガス配管４における均一化装置６の下流には、内部を流れる混合ガスの混合の均一度を検出するための均一度検出装置７を設置してもよい。

図２には上記均一化装置６が示されている。この均一化装置６は二枚の穿孔板８、９を備えている。各穿孔板８、９には多数の貫通孔１０が形成されている。この貫通孔１０の直径や配設ピッチは限定しないが、同一直径および同一ピッチで形成するのが、後述する開口率の調整が容易となるので好ましい。一方の穿孔板８は混合ガス配管４の流路一杯に拡がる形状（貫通孔が無いとしたら、配管内の流路を閉塞してしまう形状）を有し、その外周が混合ガス配管４の内面に固定されている。この穿孔板８を固定穿孔板８と呼ぶ。固定穿孔板８は混合ガス配管４の流路の断面形状に応じた形状に形成される。他方の穿孔板９は固定穿孔板８の上流側の面に接して配置されており、その面方向に往復動可能に構成されている。この穿孔板９を可動穿孔板９と呼ぶ。

可動穿孔板９の端部には、混合ガス配管４の外部に配設された流体圧シリンダ等の駆動シリンダ１１からなる穿孔板移動装置が連結されている。可動穿孔板９はこの駆動シリンダ１１によって往復動させられる。駆動シリンダ１１のロッド１１ａと可動穿孔板９とを連結する連結棒１２の部分が混合ガス配管４を貫通している。連結棒１２が貫通する配管４の部分にはシール機構１３が配設されている。可動穿孔板９の位置は固定穿孔板８の上流側に限定されず、下流側に配置してもよい。また、穿孔板移動装置は流体圧シリンダに限定されることはなく、電動モータ等を採用してもよい。

また、駆動シリンダ１１の位置は、図示のごとく混合ガス配管４の下方に限定されず、上方に配置して可動穿孔板９を吊り下げた状態で上下動させてもよい。また、混合ガス配管４の側方に配置して可動穿孔板９を水平方向に往復動させてもよく、上方と下方との間の他のいかなる位置に配置してもよい。

さらに、混合ガス配管４のうち上記均一化装置６が内蔵された部分を、混合ガス配管４に対して着脱可能に構成することもできる。たとえば、混合ガス配管４における均一化装置６の前後を切断し、この部分をフランジ等の管継手によって前後の混合ガス配管４に接続することが可能である。そうして、このフランジの接続ボルトを取り外し、均一化装置６内蔵部分の管を駆動シリンダ１１等とともに外方へ移動させうるようにするのである。こうすることによって、設備の定期検査等において均一化装置６のメンテナンスが容易となる。

各穿孔板８、９において、貫通孔１０の中心間距離は、ともに貫通孔１０の直径以上となるように形成されている。こうすることにより、可動穿孔板８が所定距離を往復動してその間の任意の位置に停止させられることにより、両穿孔板８、９の全ての貫通孔１０同士が一致して貫通孔１０の開口率が１００％となる全開位置と、全ての貫通孔１０同士が全く重ならずに閉止されて開口率が０％となる全閉位置とのあいだの任意の位置（任意の開口率）に設定することができる。この点については、後述する三枚の穿孔板を有する均一化装置１６を示す図７（ａ）および図７（ｃ）を参照すれば明らかである。このように可動穿孔板９を所定距離だけ可動とするために、可動穿孔板９の外形は固定穿孔板８の外形より小さくされており、両穿孔板８、９の貫通孔１０の配置分布は同位置にされている。

最大開口率の状態は、とくに貫通孔１０の全面積が開口された開口率１００％の状態に限定することはない。たとえば、貫通孔の全面積の１００％未満の状態を最大開口状態としてもよい。また、最小開口率の状態は、とくに貫通孔１０の全面積が閉止された開口率０％の状態に限定することはない。たとえば、貫通孔の全面積の０％を超える状態（少し開いた状態）を最小開口状態としてもよい。このように設定するのであれば、前述した貫通孔１０の中心間距離は、上記のように貫通孔１０の直径以上にする必要はない。

以上のごとく穿孔板８、９の開口率を変化させうるように構成しているのは、主ガスと副ガスとの混合条件に応じて開口率を変えることにより、当該混合条件下で最適の混合がなされるようにするためである。混合ガス配管４内を送られてきた混合ガスの一部は、穿孔板８、９によって一旦せき止められて管の中心軸に垂直な方向の流れ成分が生じる。この作用によって混合ガスはさらに混合される。穿孔板８、９を通過する混合ガスは貫通孔１０から下流側への噴流による拡散渦の発生により、混合の一層の均一化が実現する。このようなメカニズムによって混合ガスの混合がさらに進み、混合均一化がなされる。

前述した、均一化装置６の下流側に設置する均一度検出装置７としては、混合ガス配管４内のガス流路の断面上におけるガスカロリの分布を検出するカロリ検出装置を採用してもよい。その目的のためには、カロリ検出装置７の多数の検出部７ａを流路の断面上にほぼ均一に配置すればよい。検出部７ａは一断面上に限定されず、図示のごとく複数断面上に配置してもよい。

ここで、カロリ検出装置７としては、ガスのカロリを直接計測する所謂カロリメータ、可燃成分の含有率（濃度）を計測する装置などが用いられる。検出速度を重視する場合は現在では可燃性ガス濃度検出器（ガス成分検出装置）を用いるのが好ましい。適用される低カロリガスが主に含む可燃成分の種類や主たる濃度変動が生じる可燃成分（たとえば、直接還元鉄法における副生ガスでは一酸化炭素）に応じて、その成分の濃度を検出する濃度検出器を用いても良い。均一度検出装置として用いるものはカロリ検出装置に限定されない。たとえば、ガス流路の断面上におけるガスの比重の分布を検出するための密度検出装置等、ガスの性状を検出する好適な装置であれば種々のものをも採用することができる。

このカロリ検出装置７によって検出された混合ガスの混合状態に応じて上記穿孔板８、９の貫通孔１０の開口率を変化させて、混合の均一化を向上させるために適切な開口率を選択することができる。この適切な開口率を実現させるための制御装置３０、上記駆動シリンダ１１に供給する作動油の油量を調節することによってシリンダロッド１１ａのストロークを調整するための油量調節装置３１、および、シリンダロッド１１ａの伸縮位置を検出するための位置検出器３２が設置されている。

制御装置３０には、副ガスの種類をパラメータとして、当該副ガスの混合比（主ガスに対する副ガスの体積割合）とそれに対応した穿孔板の最適開口率とを関係付けたテーブルが記憶されている。さらに、可動穿孔板８の全開位置を基準として全閉位置までのシリンダロッド１１ａの被検出部位の位置が記憶されている。また、穿孔板の全開位置と全閉位置との間の移動のために必要な作動油の供給油量が記憶されている。

制御装置３０は、主ガスの実測カロリ値が燃焼装置の許容上限値を超えないように、減熱用ガスを選択すると同時に必要な混合量を計算して副ガス供給装置（図示せず）に指令を出す。また、制御装置３０は、主ガスの実測カロリ値が許容下限値を下回らないように、増熱用ガスを選択すると同時に必要な混合量を計算して副ガス供給装置に指令を出す。増熱用ガスおよび減熱用ガスとしてそれぞれ複数種類のガスが用意されている場合には、所定の基準に従って適当なガスが選択され、当該ガスの必要混合量が計算される。

そして、主ガスの量に対する副ガスの混合量に応じた穿孔板の最適開口率を上記テーブルから読みとり、その値に基づいて可動穿孔板９の移動量を算出し、それに対応するシリンダへの作動油供給量を制御して穿孔板の目標開口率を実現する。たとえば、副ガスの混合比が小さい場合には開口率を小さくする等である。混合ガスのカロリ値と目標カロリ値との乖離を測定する周期は、カロリ値検出時間より長く設定するのが好ましい。

均一化装置６の下流で均一度検出装置７を用いて混合ガスの均一度を検出する場合、検出値をフィードバックして制御することも可能である。この場合、頻繁に可動穿孔板の調整を行うことによって系が不安定となるおそれがある場合には、この均一度検出装置７を主に均一度のモニタリング手段として用いてもよい。

なお、混合ガス配管４のうちこの均一度検出装置７が内蔵された部分を、混合ガス配管４に対して着脱可能に構成することもできる。これは、前述した均一化装置６の着脱機構と同じようにフランジ等の管継手を採用することによって可能となる。こうすることによって均一度検出装置７のメンテナンスや較正が容易となる。

貫通孔１０の形状は真円に限らず、長円、正方形や長方形を含む多角形等であってもよい。図３に示すような長い貫通孔２０を採用することもできる。この長い貫通孔２０は可動穿孔板９の移動方向に対して垂直な方向に延びており、可動穿孔板９の移動方向に間隔をおいて複数カ所形成されている。この貫通孔２０の間隔は等間隔であるのが好ましい。図３（ａ）では可動穿孔板９の貫通孔２０だけが見えるが、もちろん固定穿孔板８にも同じ大きさおよび同じ形状の複数の貫通孔が同じ配置で形成されている。この貫通孔２０は、同一面積の穿孔板に形成する場合、前述の小さい円形や正方形の貫通孔１０を多数形成するよりも全開時の開口面積が大きくなる点で好ましい。

混合ガス配管４がその長手方向に沿って一定の管内径を有しておれば、穿孔板８、９の開口率を１００％に設定したとしても、そこの開口面積は混合ガス配管４の流路断面積より小さくなる。しかし、全開状態としたときの穿孔板８、９の開口面積をできるだけ大きくするのが圧損低減のためにも好ましい。そのために、図２に示すように、混合ガス配管４の均一化装置６が設置されている部分はその上流側および下流側の部分より流路の断面積が大きくされている。すなわち、本実施形態の混合ガス配管４は円形断面であるため、その管径が拡大されている。この結果、穿孔板８、９の実面積が大きくなる。それに伴って全開時の穿孔板８、９の全体の開口面積が広くなり、上流側および下流側の混合ガス配管４の流路断面積と同等またはそれ以上にすることができる。

以上の実施形態では拡径された混合ガス配管４の部分が均一化装置６の前後で同一径となっているが、この構成に限定されない。均一化装置６の直後（下流側）の部分の管径を直前（上流側）の管径より大きくすることも選択肢としてある。このようにすれば、混合ガスが均一化装置６を通過した直後に膨張拡散するために、混合効果がさらに向上することが期待できる。

また、図２に示すように、穿孔板８、９を混合ガス配管４の中心軸に垂直な面に対して傾斜させた状態に設置しうる形状にすることによってさらに開口面積を増大させることができる。穿孔板８、９を傾斜した状態で混合ガス配管４の流路一杯に拡がる形状（楕円形）とすることによって、その実面積が増加し、形成される貫通孔１０の個数をも増大させうるからである。たとえば、同一の大きさ形状の貫通孔１０を同一ピッチで形成する場合であって、穿孔板８、９を混合ガス配管４の中心軸に垂直な面から角度θ傾斜させれば、穿孔板の実面積が１／ｃｏｓθ倍となるので、貫通孔１０の個数もほぼ１／ｃｏｓθ倍となり、全体の開口面積も同様となる。

この場合、穿孔板８、９に対する貫通孔１０の穿孔方向は、図２に示すように、混合ガス配管４の中心軸方向（流体の流れ方向）とするのが穿孔板の流路抵抗が小さくなるので好ましい。しかし、この場合、穿孔板の面に垂直な方向に対して傾斜した方向に穿孔することになるため、加工コストは上昇するであろう。したがって、加工コストの低減を重視するなら、穿孔板８、９の面に対して垂直な方向に穿孔してもよい。

図４および図５に示すように、固定穿孔板８には可動穿孔板９の移動を案内するための案内部材１４が取り付けられている。この案内部材１４は、固定穿孔板８における可動穿孔板９側の面上の両側部（可動穿孔板９の移動方向の両端側）に設置されたＬ字状断面の部材である。可動穿孔板９は、その両側部が案内部材１４と固定穿孔板８との間に係合することによってその摺動が案内される。なお、図４の固定穿孔板８および可動穿孔板９は、その面が鉛直状に配置された状態、つまり混合ガス配管４の中心軸に垂直となるように配置された状態を示している。

さらに、図４の均一化装置では、駆動シリンダ１１が可動穿孔板９の上部に連結され、可動穿孔板９は駆動シリンダ１１に吊り下げられた状態で移動させられるように構成されている。また、図４には前述した駆動シリンダ１１のロッド１１ａと可動穿孔板９との連結部分が詳細に示されている。連結棒１２は可動穿孔板９に固定され、連結棒１２とシリンダロッド１１ａとはピン結合されている。これは例示であり、他の連結機構を排除するものではない。図４ではシール機構１３はその図示が省略されている。

図６〜図９には三枚の穿孔板からなる均一化装置１６が示されている。この均一化装置１６は、スペーサ１５を介在させることによって間隔をおいて平行に配置された二枚の固定穿孔板８の間に、一枚の可動穿孔板９が摺動可能に配置されたものである。二枚の固定穿孔板８は可動穿孔板９の厚さとほぼ同じ寸法の間隔をあけている。三枚の穿孔板８、９の貫通孔１０は、前述したと同様に、互いに同じ大きさ、同じ形状、同じ配置で形成されている。二枚の固定穿孔板８は、図示のごとくそれらの各貫通孔１０が逐一対向するように配置してもよい。それにより、図７（ａ）に示すように、可動穿孔板９が移動してこの均一化装置１６が全開位置となると、可動穿孔板９の貫通孔１０も二枚の固定穿孔板８の貫通孔１０と一致して貫通孔の開口率が１００％となる。また、可動穿孔板９が全開位置から貫通孔１０の直径ｄだけ移動することにより、全貫通孔１０が全閉状態となり（図７（ｃ））、開口率が０％となる。図７（ｂ）に示すのは、中間開口率の状態である。

図８および図９に示すように、上記スペーサ１５は二枚の固定穿孔板９間の両側部に配設されており、スペーサ１５同士の離間距離はほぼ可動穿孔板９の幅寸法と同じにされている。かかる構成により、スペーサ１５と二枚の固定穿孔板８とが可動穿孔板９の案内部材としての作用を奏する。

また、可動穿孔板９はその両面側を二枚の固定穿孔板８によって保持され、撓む心配がないのでその板厚を薄くすることができる。その結果、穿孔板の重量が軽減し、駆動機構の簡素化が可能となり、開口率の設定精度を向上させることができる。

貫通孔の配置は、前述したような碁盤の目状（図４および図８）や上下複数段配置（図３）に限定されない。たとえば、同心状且つ等間隔の複数の仮想円上に配置された貫通孔をも採用することができる。この場合は、可動穿孔板８を仮想円の中心回りに回転するように構成すればよい。したがって、各仮想円上では貫通孔は等間隔に配置されるが、中心に近い仮想円上の貫通孔ほどその配置間隔を小さくする。

図１０〜図１２には、穿孔板８、９の下流側に、穿孔板８、９同士の間の面や両穿孔板８、９の貫通孔１０を洗浄するための洗浄装置１７を備えた均一化装置２６が示されている。本実施形態の洗浄装置１７は可動穿孔板９の下流側の面にほぼ対向し、上下に間隔をおいてほぼ水平方向に延設された複数本の洗浄液供給配管１８を備えている。各洗浄液供給配管１８には間隔をおいて複数個の噴射ノズル１９が配設されている。図１１に示すように、洗浄液供給配管１８は一本から上記のごとく複数本に分岐されたものである。各分岐管１８は混合ガス配管４にフランジ継手２７によって取り付けられており、その下流側先端は閉止プラグ２８によって閉塞されている。洗浄液供給配管１８の上流側部分には開閉弁２９が設置されている。この開閉弁２９は、混合流体の供給を停止している期間に、自動で間欠的に開閉されるようにしてもよい。図１１では案内部材１４や駆動シリンダ１１の図示を省略している。

この噴射ノズル１９は、洗浄効果の観点からは貫通孔１０と同一個数であって貫通孔１０と一対一に対応するように配設するのが好ましい。しかし、とくにかかる構成に限定されない。たとえば、各ノズル１９から洗浄液が比較的広範囲に噴射されるようにし、また、最上位置にある貫通孔１０も含めて多くの貫通孔に洗浄液が噴射されるようにノズルを配置するようにすればよい。洗浄液が穿孔板８、９上を下方に流れ落ちることによっても洗浄効果が発揮される。さらに、複数本の洗浄液供給配管１８を個別にその中心軸回りに回転可能とし、それによってノズル１９の向きを上下方向に変更可能とすることは容易である。そして、混合ガス配管４には洗浄装置１７および穿孔板８、９を目視確認しうるように点検窓を設けてもよい。これにより、洗浄状態を確認した結果、必要に応じて洗浄液の噴射角度が最適になるように、洗浄液供給配管１８を回転させてノズル１９の向きを変更することができる。

また、設置する噴射ノズル１９の個数は限定されない。洗浄液を広範囲に噴射することのできる一個のノズルを採用してもよい。この場合、洗浄液供給配管１８は一本のみ配設されることになる。洗浄装置１７近傍の混合ガス配管４の底部に、洗浄後の洗浄液を集液するための集液溝３３を形成し、この集液溝３３の底部に排液のためのドレン孔３４を形成しておくのもよい。

洗浄装置１７の設置位置は穿孔板８、９の下流側に限定されず、上流側であってもよく、上流および下流の両側であってもよい。図示の穿孔板８、９は鉛直方向に立設されているが、図２や図６に示すごとく穿孔板８、９が傾斜している場合は、洗浄装置１７をその上面側（図２や図６で言えば穿孔板の右側）に設置するのが好ましい。下面側に設置する場合に比べて、噴射された洗浄液が穿孔板の面上を流れ落ちることによって洗浄効果が向上するからである。

上記洗浄装置１７を備えることにより、たとえば粉塵等が穿孔板やその貫通孔に付着して流路抵抗が増大したり穿孔板のいわゆるスティックが生じたりすることを予防することができる。これにより、この混合流体供給設備１の運転停止時に、均一化装置６の洗浄のために作業員が管路内に立ち入ることを不要とするか、または、その頻度を大幅に減らすことができる。

この洗浄装置１７が内蔵された混合ガス配管４の部分についても、前述したと同様に、フランジ等の管継手を採用することによって他の混合ガス配管４部分に対して着脱可能に構成することができる。こうすることによって洗浄装置１７のメンテナンスが容易となる。

図１３には、他の態様の混合ガス配管２１が示されている。この混合ガス配管２１は、平行に延びる二本の配管２１ａ、２１ｂの端部同士が、それら２１ａ、２１ｂに直角な短管２１ｃによって接続されたものである。このように構成したのは、均一化装置６の部分の混合ガス配管２１ｃの流路面積を簡易な構成によって十分に拡大するためである。また、二本の配管２１ａ、２１ｂは横方向に平行に配置してもよいが、図示のごとく上下に平行に配置した場合、上記短管２１ｃは上下方向に延びることになり、穿孔板８、９はその面がほぼ水平となるように配置されることになるので好ましい。こうすると、可動穿孔板９を固定穿孔板８の上面に載置した状態に配置することができるので可動穿孔板９の移動が安定するからである。また、混合ガス配管２１は、図示のごとく混合流体の流れが均一化装置６の下から上に向かう態様に限定されず、均一化装置６の上流側配管２１ａを下流側配管２１ｂより上方に配置して、混合流体が均一化装置６の上から下に向かって流れるようにしてもよい。

また、上記のごとく二本の配管２１ａ、２１ｂを、これらに対して直角な短管２１ｃによって接続するのではなく、図１４に示すように二本の配管２１ａ、２１ｂを傾斜短管２１ｄ、すなわち、二本の配管２１ａ、２１ｂの中心軸に対して鈍角をなす方向に延びる短管２１ｄによって接続してもよい。こうすることにより、管路の圧力損失が低減されるだけでなく、穿孔板８、９が傾斜短管２１ｄの中心軸に対して斜めに配置されることとなるので、管路断面積に対する穿孔板８、９の実面積が増大し、穿孔板８、９による流体抵抗が低下する。

以上説明した均一化装置６、１６には、混合ガスの混合を均一化すること以外に優れた機能がある。その機能は、たとえばガスタービン等の燃焼装置に燃料ガスを供給する配管に設置することによって発揮される。上記燃焼装置を緊急停止するとき、燃料ガスの供給を瞬時に停止するために燃料ガス供給配管に設置された緊急遮断弁を閉弁する。そうすると、燃料ガスの流れの急激な運動量変化によって燃料ガス供給配管の上流側に向かって急激な圧力変動が伝播しようとする。このときにタイミングよく均一化装置６、１６の開口率を急速に低減するかゼロにすることにより、上記圧力伝播が抑制または抑止される。その結果、サージタンクや大気放散塔を不要とすることができるか、少なくともこれらの少容量化を図ることができる。

図１５〜図１７には、このように配管の下流側から上流側に向かう急激な圧力変動の伝播を抑制防止するために穿孔板を使用した他の実施形態が示されている。この実施形態は、その中心を通る仮想直線の回りに回転可能な一枚の回転穿孔板２２を備えている。図１５に示す配管２３は円形断面のものが採用されているため、この回転穿孔板は図１６に示すように円形状を呈している。もちろん、円形に限定されず、たとえば四角形断面の配管に対しては図１７に示す四角形状の回転穿孔板２４を採用する等、配管の断面形状に応じて形状を選定すればよい。ただし、配管の中心軸に垂直な面で切った断面と同一形状にする必要はない。配管の中心軸に垂直な面から前後に傾斜した断面形状と同一の形状にしてもよい。また、図示のごとく、全貫通孔１０の開口面積を大きくするために、回転穿孔板２２の設置部分について配管２３の径を拡大してもよい。貫通孔１０の形状は前述した均一化装置６、１６におけると同様に、真円に限らず、長円、正方形や長方形を含む多角形等であってもよい。

このように形成された回転穿孔板２２の両側端には、回転穿孔板２２、２４の中心を通り、配管を貫通して横方向に延びる回転軸２５が突設されている。この回転軸２５は配管２３の外部に設置された図示しない回転駆動機に接続されている。回転駆動機は、たとえば電動モータ、流体圧シリンダ等を採用することができる。この回転駆動機によって回転軸２５を回転させることにより、回転穿孔板２２、２４が配管内の流路一杯に拡がる位置（図１５中の実線で示すように、貫通孔が無いとすれば流路を閉塞する位置であり、これを全閉位置と呼ぶ）と、その面が配管の中心軸に沿う方向となる位置（図１５中の二点鎖線で示す位置であり、全開位置と呼ぶ）との間を回転させられる。そして、全開位置と全閉位置、および、それら両位置の間の任意の角度位置に停止させるように構成してもよい。

図１５〜図１７に示す実施形態では回転穿孔板２２、２４は水平方向の軸回りに回転するように構成されているが、これには限定されない。たとえば、鉛直軸回りに回転させてもよく、水平と鉛直との間の任意の回転軸回りに回転させてもよい。さらに、回転穿孔板２２、２４の停止位置を検出するための回転位置検出装置を設置し、回転穿孔板が適正な位置に停止しているか否かの確認ができるようにしてもよい。

この回転穿孔板２２、２４は上記燃焼装置が通常に運転しているときには全開状態にされ、燃料ガスの流れに大きな抵抗を与えないようにしている。しかし、前述のごとく配管２３の下流の緊急遮断弁を閉弁することによって上流に向けて急激な圧力変動が伝播しようとしたとき、回転穿孔板２２、２４が急速に回転して全閉位置に至る。これにより、流体の流路は最終的に回転穿孔板の貫通孔１０だけとなるので、配管２３内の流路抵抗が急激に増加して圧力変動が減衰させられ、その伝播が抑制される。

この回転穿孔板２２、２４は、かかる目的以外にも混合流体の混合均一化装置として使用することもできる。

以上説明した実施形態では、燃焼設備としてガスタービンを例示しているが、本発明の適用は特にガスタービンに限定されない。燃焼設備としてたとえば、火力ボイラ、ディーゼルエンジンやガスエンジン等の内燃機関であってもよい。要するに、入熱変動が一定範囲内にあれば燃焼を維持することができるような燃焼設備には本発明の均一化装置を適用することができる。

本発明の混合流体均一化装置によれば、既設の混合器の設置の有無に関係なく、供給される流体混合の均一性を向上させることができる。さらに、均一化装置の適用対象流体としてガスを例示しているがかかる気体のみに限定されない。液体の供給設備にも適用することができる。さらに、粉体やスラリ等の供給設備にも適用することができる。

Claims

流体の流路内に配設される、互いに重なり合って接する相対変位可能な複数枚の穿孔板と、洗浄装置とを備えており、
各穿孔板には複数個の貫通孔が形成されており、上記複数枚の穿孔板が重なり合った状態で互いの面方向に相対変位することにより、各穿孔板の貫通孔の重なり程度が変化して全貫通孔の開口率が変化するように構成されてなり、
洗浄装置は、前記貫通孔を洗浄するための洗浄用の液体を噴出する複数個のノズルを有してなる、混合流体の均一化装置。
上記流路の外部に配設された、穿孔板を移動させるための穿孔板移動装置をさらに含んでおり、
上記複数枚の穿孔板が、流路内部に固定された固定穿孔板と、固定されずに移動可能にされた可動穿孔板とを備えており、該可動穿孔板が上記穿孔板移動装置によって往復動させられるように構成されてなる請求項１記載の混合流体の均一化装置。
上記全貫通孔の開口率が最大の時の開口面積が、流路の断面積と同一かまたはそれ以上に形成されてなる請求項１記載の混合流体の均一化装置。
上記穿孔板が、流路の中心軸に対して垂直な方向から傾斜して配置されてなる請求項１記載の混合流体の均一化装置。
上記固定穿孔板に移動案内部材が取り付けられており、該移動案内部材が、可動穿孔板の往復動方向に垂直な方向の両側部分に係合してその移動を案内するように構成されてなる請求項２記載の混合流体の均一化装置。
一枚の可動穿孔板が二枚の固定穿孔板の間に配置されており、該二枚の固定穿孔板の間に、可動穿孔板が摺動移動可能な隙間を保持するスペーサが配設されており、
該二枚の固定穿孔板およびスペーサが可動穿孔板の移動を案内する機能を奏する請求項１記載の混合流体の均一化装置。
上記貫通孔が、可動穿孔板の移動方向に垂直な方向に延びる長孔状に形成されてなる請求項１記載の混合流体の均一化装置。
上記可動穿孔板を移動することによって全貫通孔が閉止されうる請求項１記載の混合流体の均一化装置。
流体が流れる流路と、
該流路内に配設された混合流体均一化装置とを備えており、
該混合流体均一化装置が、請求項１〜８のうちのいずれか一の項に記載の混合流体の均一化装置であり、
上記流路における混合流体均一化装置が配設されている部分の断面積が、その上流側の断面積および下流側の断面積それぞれより大きくされてなる混合流体供給設備。
流体が流れる流路と、
該流路内に配設された混合流体均一化装置とを備えており、
該混合流体均一化装置が、請求項１〜８のうちのいずれか一の項に記載の混合流体の均一化装置であり、
上記流路における混合流体均一化装置が配設されている部分の下流側の断面積が、その上流側の断面積より大きくされてなる混合流体供給設備。
流体が流れる流路と、
該流路内に配設された混合流体均一化装置とを備えており、
該混合流体均一化装置が、請求項１〜８のうちのいずれか一の項に記載の混合流体の均一化装置であり、
上記流路における混合流体均一化装置の下流側に配設されたガスの性状を検出するガス性状検出装置をさらに含んでおり、該ガス性状検出装置が流路の断面上のガス成分の分布を検出するように構成されてなる混合流体供給設備。